CC BY
50
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 621.436
К ИССЛЕДОВАНИЮ МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ НА РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА
В.М. Славуцкий, доктор технических наук, профессор А.С. Панкрашёв, Е.К. Тимофеев, магистранты О.Л. Хуранов, соискатель
Волгоградский государственный технический университет, Северо-Кавказский филиал Московского автомобильно-дорожного государственного
технического университета
На основе численного моделирования изучен механизм подачи топлива при работе тракторного дизеля на режиме холостого хода. Применен комплексный метод, позволяющий отслеживать текущее состояние элементов системы. В результате численного эксперимента предложены изменения регулировочных параметров топливной системы, позволившие исключить колебания иглы форсунки на режиме холостого хода.
Ключевые слова: холостой ход, состояние системы, фазовое положение нагнетательного клапана и иглы форсунки, тепловой баланс топлива, колебание иглы форсунки.
Объект исследований - система топливоподачи тракторного дизеля Д-144 с топливным насосом высокого давления УТН-5. Форсунки - с многодырчатым распылителем. Давление начала подачи топлива - 17,5 мПа.
Предмет исследований - причина колебательного движения иглы форсунки при впрыскивании топлива.
При малой частоте вращения коленчатого вала дизеля и небольшой цикловой подаче топлива, что характерно для режима холостого хода, игла форсунки совершает колебательные движения, незначительно при этом поднимаясь [2].
Метод исследований - численный эксперимент. Г идродинамический метод расчета процесса впрыскивания топлива позволяет в течение цикла проследить не только изменение параметров топлива, но и состояние системы: количество топлива, сжатого в отдельных полостях нагнетательной магистрали; скорость и направление движения топлива во входном и выходном сечениях нагнетательной магистрали; положение нагнетательного клапана и иглы форсунки в характерных точках цикла; количество топлива, перетекающего через сечения нагнетательной магистрали в различные моменты цикла (цикловой баланс топлива); фазовые положения моментов цикла подачи топлива; начало подъема, закрытия и посадки нагнетательного клапана и иглы форсунки относительно важной характерной точки цикла - начала отсечки. Такой комплексный подход позволяет решить ряд задач, связанных с анализом сложного механизма процесса подачи топлива.
В результате численных экспериментов установлено, что по мере увеличения частоты вращения вала насоса уменьшается количество топлива, поданного к моменту закрытия нагнетательного клапана, т. е. за время рабочего хода плунжера. Это хорошо (качественно) согласуется с результатами исследований системы топливоподачи на режимах нагрузки [3].
При частоте вращения вала насоса пв = 1600 мин-1 момент начала подачи топлива совпадает с началом отсечки. При более высоких пв подача начинается после отсечки (окончания рабочего хода). Запаздывание начала подачи относительно момента начала отсечки увеличивается по мере повышения частоты вращения вала насоса. С этим (косвенно) связано уменьшение цикловой подачи топлива по мере повышения пв [1].
В результате численных экспериментов установлено, что при пв = 400 мин-1 нагнетательный клапан не поднимается более, чем на 2 мм. Далее клапан опускается ниже уровня закрытия -1,85 мм (рис. 1).
Н* мм Н„. мм
Рисунок 1 - Зависимость перемещения иглы форсунки Ни и нагнетательного клапана Нк от угла поворота вала насоса фв: пв = 400 мин-1
Уровня закрытия клапан достигает при движении иглы форсунки вниз, то есть уже в конце процесса подачи топлива. Давление перед плунжером и перед сопловыми отверстиями при этом интенсивно уменьшается (рис. 2).
Р„; Рс: мПа
Рисунок 2 - Зависимость давления топлива над плунжером Рп и давления впрыскивания Рс от угла поворота вала насоса фв: пв = 400 мин-1 До уровня 2 мм клапан поднимается при пв = 600 мин-1 и пв = 700мин-1. Момент закрытия клапана при этих значениях пв соответствует давлению над плунжером 10 и 15 мПа, соответственно. В обоих случаях закрывается клапан в период интенсивного снижения давления топлива над плунжером и перед сопловыми отверстиями распылителя.
Можно предположить, что в штатной системе клапан поднимается на относительно большую высоту, совершая при этом колебательные движения с большой ам-
№ 2(26), 2012
плитудой. При движении вниз клапан доходит до уровня закрытия или значительно приближается к последнему. Это, во всяком случае, объясняет при движении плунжера резкие колебания давления топлива в надплунжерной полости, что особенно заметно в случае полного закрытия клапана. Закон движения иглы форсунки повторяет характер изменения давления перед сопловыми отверстиями распылителя.
Итак, причина колебательного характера движения клапана - это периодическое полное закрытие его или значительное приближение к уровню закрытия, когда проходное сечение клапана очень мало. В любом случае периодически резко изменяется давление в надплунжерной полости, усугубляя нарушения в характере движения клапана.
Кроме того, при подъеме и опускании клапана нельзя не учитывать инерционные силы, также вносящие изменения в характер его движения.
Таким образом, в штатной системе клапан поднимается на высоту, значительно превышающую уровень закрытия, и, периодически опускаясь, приближается к нему (уровню) или пересекает его. Это вызывает существенное уменьшение проходного сечения клапана или полное его закрытие. При этом резкие колебания давления топлива в надплунжерной полости вызывают колебательные движения как клапана, так и иглы форсунки.
Топливная система подверглась модернизации. Снижено давление начала открытия нагнетательного клапана от 1,3 до 0,6 мПа. Давление начала подъема иглы форсунки уменьшено от 17 до 10 мПа.
В модернизированной системе высота подъема клапана не превышает уровня 2 мм, за исключением начального этапа, когда под действием инерционных сил клапан поднимается на высоту 2,1.. .2,25 мм, после чего клапан удерживается на одной высоте около 2 мм. Только в момент закрытия клапан опускается до уровня 1,85 мм.
В модернизированной системе, меньший, чем в штатной системе, начальный подъем клапана не сопровождается его колебаниями. В свою очередь, малая высота подъема клапана на начальном этапе объясняется низким давлением в надплунжерной полости и невозможностью преодолеть упругую силу пружины клапана.
Проанализированы причины уменьшения количества топлива, поданного в цилиндр после закрытия нагнетательного клапана, то есть после разобщения надплунжер-ной полости с нагнетательной магистралью. В данном случае под нагнетательной магистралью понимается штуцер насоса, трубопровод высокого давления и полость форсунки. Уменьшение количества топлива, поданного после закрытия клапана, означает, кроме того, увеличение количества топлива, поданного за счет расширения его в полостях штуцера, трубопровода высокого давления и форсунки. Рисунок 3 демонстрирует увеличение относительного количества топлива, сжатого в полостях нагнетательной магистрали в момент закрытия клапана. При увеличении пв от 400 до 700 мин-1 в полости штуцера увеличивается относительное количество сжатого топлива от 2,5 до 14,5 %. В нагнетательном трубопроводе - от 5 до 12%, в полости форсунки - от 2,5 до 4,9 %.
С}сЖ: %
Рисунок 3 - Зависимость относительного количества сжатого топлива Qсж в полостях системы в момент закрытия нагнетательного клапана от частоты вращения вала насоса пв: Ш -полость штуцера насоса; Т - полость нагнетательного трубопровода; Ф - полость форсунки В начале отсечки, при всех значениях частоты вращения вала насоса, в полостях штуцера и трубопровода сжимается большее относительное количество топлива, чем к моменту закрытия нагнетательного клапана. Практически не изменяется относительное количество топлива, сжатого в полости форсунки.
Наибольшее относительное количество топлива, сжатого в полостях нагнетательной магистрали отмечено в начале подъема иглы форсунки. Причем, с изменением частоты вращения вала насоса пв, количество сжатого топлива мало изменяется.
В конце процесса подачи топлива (к моменту посадки иглы форсунки) в полостях трубопровода и форсунки заметно уменьшается относительное количество сжатого топлива, в сравнении с моментом закрытия клапана. В штуцере насоса, по мере увеличения пв, увеличивается разрежение (рис. 4).
<&ж, %
Рисунок 4 - Зависимость относительного количества сжатого топлива Qсж в полостях системы в момент посадки иглы форсунки от частоты вращения вала насоса пв: Ш -полость штуцера насоса; Т - полость нагнетательного трубопровода; Ф - полость форсунки
№ 2(26), 2012
В момент посадки нагнетательного клапана в полостях штуцера и трубопровода - разрежение. В трубопроводе разрежение уменьшается с повышением пв, а в штуцере - увеличивается. В форсунке при всех значениях пв топливо не сжимается.
Следует заметить, что вход нагнетательного клапана в корпус происходит после посадки иглы форсунки. Дальнейшее движение клапана обеспечивает разгрузку нагнетательной магистрали.
Приведенный выше анализ результатов расчетных исследований позволил установить, что после закрытия нагнетательного клапана к распылителю форсунки поступает топливо, ранее (во время рабочего хода плунжера) сжатое в полостях нагнетательного тракта. Это прослеживается с момента начала отсечки, когда в полостях сжато большое количество топлива. К распылителю форсунки топливо подается как в результате продолжающегося нагнетательного хода плунжера, так и в результате расширения сжатого в полостях топлива при рабочем ходе плунжера. Это подтверждается снижением давления в полостях нагнетательной магистрали в период от начала отсечки до закрытия нагнетательного клапана. После закрытия клапана процесс подачи топлива продолжается. В форсунку подается расширяющееся в полостях топливо.
Такой механизм подачи топлива подтверждается сведениями о скорости топлива во входном и выходном сечениях нагнетательного трубопровода. Так, в момент начала подъема иглы форсунки, в момент начала отсечки и в момент закрытия нагнетательного клапана в обоих сечениях нагнетательного трубопровода скорость топлива положительна, то есть вектор скорости направлен в сторону форсунки. Только в момент посадки иглы форсунки при пв = 400 мин-1 скорость топлива в выходном сечении положительна, а при пв = 500 мин-1 - равна нулю. Отрицательные значения скорости (при определённых значениях пв) в момент окончания подачи означают движение топлива в сторону насоса, что объясняется разгрузочным ходом клапана после его закрытия.
Соотношение скоростей во входном и выходном сечениях нагнетательного трубопровода качественно соответствует количеству сжатого топлива в отдельных полостях нагнетательного тракта системы.
Библиографический список
1. Зубченко, В.А. Исследование возможности интенсификации процесса подачи топлива дизеля: специальность 05.04.02 [Текст]: дисс. канд. техн. наук / В.А. Зубченко; ВолгГТУ. -Волгоград, 1998. - 260 с.
2. Салыкин, Е.А. Улучшение показателей процесса топливоподачи в дизеле путем скоростного форсирования насоса высокого давления: специальность 05.04.02 [Текст]: дисс. канд. техн. наук / Е.А. Салыкин; ВолгГТУ. - Волгоград, 2003. - 264 с.
3. Улучшение показателей процесса подачи топлива при частичных нагрузках дизеля [Текст]/ В.М. Славуцкий, О.Л. Хуранов, З.Х. Харсов, З.В. Каныгин // Известия ВолгГТУ. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки»: межвуз. сб. науч. ст. / науч. ред. Е. А. Федянов; ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - Вып.3, № 8. - C. 40-43.
E-mail: felix2006.89@mail.ru
